基于USB2.0的CMOS图像传感器视频传输系统的研制

摘要

随着数码产品的不断普及，摄像头的应用范围在不断的扩大，摄像头中的核心部件——图像传感器的用量也在日益增长，由于CCD图像传感器成本等因素的限制，近几年CMOS图像传感器的用量急剧上升，大量的摄像头生产厂商都选用了CMOS图像传感器，特别是在手机等数码产品所用的摄像头中都选用了CMOS图像传感器。本文就是基于以上背景的情况下，给出了基于USB2.0接口的CMOS图像传感器视频传输系统。它可广泛应用在摄像头产品的质量检测、图像获取系统，具有传输速度快、电路简单、成本低廉和连接安装方便等特点。 围绕基于USB2.0的视频传输系统，文中讨论了它的基本组成，系统的硬件、，软件设计方法，并详细描述了USB2.0接口部分的原理以及在PC上视频显示的原理，给出了相关程序设计过程和部分源代码，还进行了综合测试。 系统采用的主要核心部件包括Cypress公司FX2系列的CY7C68013芯片、CMOS传感器组成的摄像头等。首先根据实际的需要设计了系统的硬件电路，制作了PCB板；然后在该硬件电路的基础上，编写了系统的固件程序。固件程序设计主要包括以下几部分：(1)USB2.0接口的初始化。通过对CY7C68013的CPUCS，USBCS，IFCONFIG等寄存器进行设定，使其工作在预定的模式下；(2)图像传感器的初始化程序设计：(3)通用编程接口(GPIF)程序设计。首先FIFO读波形描述符(GPIF波形)由GPIF Designer工具产生，然后固件启动FIFO读波形，从而实现对CMOS摄像头时序的控制和图像数据采集。(4)USB2.0的批量传输程序设计；(5)主程序设计。主程序的功能除了要完成(1)～(4)中断论述的功能外，还要给出USB控制传输的固件应答程序及相应的中断初始化和中断服务程序。最后，编写了应用程序。其主要功能有：检测USB设备、设置USB数据传输管道设置，从USB接口采集数据，在PC中实时(动态)显示并能实时抓取图像，为以后在该系统的基础上对需要的图像进行分析处理奠定了基础。 设计过程充分利用了现有芯片资源，在不使用CHD等控制芯片的条件下，用GPIF接口的控制逻辑来有效合理地控制CMOS摄像头的工作时序，并读取数据至缓冲区，从而节省了一般类似系统所必需的FIFO芯片和控制时序的CPLD芯片等。综上所述，本文给出的这种设计方案是一种优化性能突出的设计方案，它不仅降低了开发成本，也节省了系统容量，更利于产品开发。通过实验，系统数据传输稳定、图像清晰。该系统已应用在CMOS数字图像传感器摄像头的质量检测系统。

目录

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声明

第一章绪论

1.1引言

1.2国内外研究和应用现状

1.3课题的提出

1.4课题的主要工作

1.4.1方案论证

1.4.2核心部件选型

1.4.3硬件设计

1.4.4软件设计

1.4.5系统数据测试

1.5系统的总体框架和开发环境

1.5.1系统结构框图

1.5.2系统开发环境

第二章USB接口技术原理

2.1 USB总线的特点

2.1.1 USB的速度

2.1.2 USB的总线拓扑体系

2.1.3 USB的即插即用

2.1.4 USB的低功耗

2.1.5 USB的标准接口和外设

2.2 USB软件通讯协议

2.2.1 USB数据流

2.2.2 USB数据单元

2.2.3 USB总线传输

2.2.4数据触发同步与重试

2.2.5错误检验与恢复

2.2.6 USB设备枚举和FX2的重枚举过程

第三章视频传输系统的硬件设计

3.1视频传输系统的硬件支持

3.1.1系统硬件支持

3.1.2 USB电缆

3.1.3方案论证

3.1.4 USB视频传输系统核心部件选择

3.2 Cypress EZ-USB FX2系列芯片

3.2.1 FX2总体架构和特点

3.2.2 FX2端点缓冲区(Endpoint Buffer)

3.3采用GPIF接口模式的硬件系统设计

3.3.1 USB物理接口

3.3.2复位和电压转换电路

3.3.3外接无源晶体电路

3.3.4 E2PROM连接电路

3.3.5串行口模块

3.3.6 GPIF接口与CMOS摄像头的连接

第四章固件程序设计

4.1固件程序的功能和基本架构

4.1.1固件的功能

4.1.2 FX2固件典型架构

4.2 USB描述符

4.3 GPIF接口和gpif.c

4.3.1 GPIF简介

4.3.2 GPIF波形编程

4.3.3 GPIF程序的生成

4.3.4用户程序文件Periph.c

第五章驱动程序和应用程序设计

5.1设备驱动程序的开发

5.2应用程序的设计

5.2.1模块划分

5.2.2模块流程图

5.2.3系统目标

5.2.4程序流程图

5.2.5模块实现

5.2.6视频控制功能的实现

5.3软件试运行

5.4在线烧录

5.4.1概述

5.4.2在线烧录源程序

第六章系统测试

6.1系统的传输速度

6.2 USB设备的枚举测试

第七章总结与展望

7.1总结

7.2展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢